CN102937705B - 复合结构的直流磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合结构的直流磁传感器，包括由磁致伸缩材料层和压电材料层组成的层状结构体，其特征在于：在磁致伸缩材料层上设置有非晶态合金薄膜层，非晶态合金薄膜层和压电材料层分别位于磁致伸缩材料层大平面的两侧。本发明的有益技术效果是：提高了传感器的直流灵敏度，而且尺寸较小，有利于制备小型化高灵敏的磁传感器件，相比传统的磁致伸缩材料/压电材料复合的磁传感器，本发明的传感器既可以探测交流磁场也可以探测直流磁场，具有更强的探测功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁-电转化装置，尤其涉及一种复合结构的直流磁传感器。
背景技术
随着现代科学技术的发展，磁传感器不仅可直接用于磁场测量，还可用于磁场有关的其他物理量（包括光、电以及力等物理量）的间接测量或控制，为磁传感器的飞速发展提供了更好的机会，并形成了非常可观的磁传感器产业。
传统的超导量子干涉器件SQUID具有极高的灵敏度，其灵敏度可达10-14 T，但是它需要在低温-273度下工作，并且制造工艺复杂，成本较高，仪器体积大，不便于携带，这些都限制了它的应用范围；而光泵式磁传感器、核磁共振磁传感器和磁通门传感器又存在结构笨重、复杂、价格昂贵、需要电源供电、功耗高等缺陷；感应式磁传感器虽然测量精度较高，但是其线圈的体积较大，不利于小空间磁场的测量，并且不适合于探测缓慢变化的磁场；磁敏二极管和三极管传感器以及霍尔磁传感器虽然体积小，重量轻，但灵敏度低，且测量精度受温度影响较大；而半导体磁阻效应传感器和各向异性磁阻效应传感器磁场的灵敏度较低，不适合测量微弱磁场；巨磁阻效应传感器虽然灵敏度较高，但受温度的限制；由于现有的磁传感器存在这样或那样的缺陷，这就需要研究新的磁传感器和测量方法，扩展磁传感的应用范围和丰富磁传感测量的手段和方法。
随着新兴磁性材料的不断发展，研究者们研制出了一种新型的基于磁致伸缩材料/压电材料复合的磁传感器（Y. Fetisov，Bush，A.Kamentsev.Magnetic Field Sensors Using Magnetoelectric Effect in Ferrite-piezoelectric Multilayers[C].Sensors. Proceedings of IEEE， 2004（3）：1106-1108.），由于磁致伸缩材料的压磁系数是外加偏置磁场的函数，而磁致伸缩/压电复合材料的磁电电压系数与压磁系数成正比，那么，磁致伸缩/压电复合材料在外加交变磁场激励下输出的磁电电压与外加直流偏置磁场有关，利用该特性可用于探测直流磁场。另一方面，外加激励交变磁场的大小也会影响磁致伸缩材料的机械形变，进一步影响压电层输出的磁电电压。磁致伸缩/压电复合材料的磁电电压随交变磁场的增加而增大，利用该特性可用于探测交流磁场，因此磁致伸缩/压电复合材料在直流磁场和交流磁场探测中具有极大的应用潜力。基于磁致伸缩材料/压电材料复合的磁传感器具有高的磁场灵敏度和磁机耦合特性，是一种无源的传感器，传感过程中无需电功率输入可直接产生电信号输出，可制备成无源交流磁传感器，并且其结构简单，体积小，测量方便，成本较低，具备既可探测交流磁场，又可探测直流磁场的优点，使其在磁场测量中比传统的磁传感器具有更大的优势。但是目前国内外所报道的磁致伸缩材料/压电材料复合磁传感器的直流磁场灵敏度都较低，不适合于测量低强度磁场。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种复合结构的直流磁传感器，包括由磁致伸缩材料层和压电材料层组成的层状结构体，其改进在于：在磁致伸缩材料层上设置有非晶态合金薄膜层，非晶态合金薄膜层和压电材料层分别位于磁致伸缩材料层大平面的两侧。
由磁致伸缩材料层和压电材料层组成的层状结构体即形成现有的磁致伸缩材料/压电材料复合的磁传感器，此磁传感器的工作原理是：磁致伸缩材料层的压磁系数是偏置磁场的函数，在交变磁场作用产生下，磁致伸缩材料层产生机械应力，此机械应力的作用通过层间相界面耦合传递到压电材料层上，由于压电效应使压电材料产生磁电电压输出，且磁电电压输出随外加直流偏置磁场变化而变化，利用该特性可用于静态或准静态磁场传感。
本发明方案的原理是：在现有的前述磁传感器的基础上，增加一非晶态合金薄膜层，该非晶态合金薄膜层能改变磁致伸缩材料的磁电性能，提高磁致伸缩材料层和压电材料层组成的层状结构体的磁导率，从而使磁致伸缩材料层的压磁系数得到提高，同时也提高了复合材料的品质因数，最终使压电材料层获得更强的电输出，提高传感器的直流灵敏度。
基于前述的总体方案，本发明还提出了如下三种优选结构：
优选结构一：所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层和一层压电材料层组成，两层磁致伸缩材料层分别设置于压电材料层大平面的上、下两侧；两层磁致伸缩材料层外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层。该结构在厚度方向上形成对称结构，只有一种振动模态即纵向振动模态，其谐振工作频率高达110kHz以上，利用该特性可用于高频交流磁场的测量。
优选结构二：所述层状结构体由一层磁致伸缩材料层和一层压电材料层组成，磁致伸缩材料层和压电材料层重叠设置；磁致伸缩材料层外表面的大平面上设置有一层非晶态合金薄膜层。该结构在厚度方向上形成非对称结构，因此存在两种振动模态，即弯曲振动模态和纵向振动模态，故而该器件存在两个谐振工作频率，可同时完成低频和高频交流磁场的测量。
优选结构三：所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层和两层压电材料层组成，两层压电材料层重叠设置，两层压电材料层外表面的大平面上各设置有一层磁致伸缩材料层；两层磁致伸缩材料层外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层。该结构与优选结构一一样，也形成的是对称结构，但是由于结构层中设置了两层压电材料层，将两层压电材料层的输出信号进行串联，可获得更强的电输出，从而大大提高传感器的磁场灵敏度。
磁致伸缩材料层、压电材料层和非晶态合金薄膜层的形状还可采用如下的优选方案：磁致伸缩材料层、压电材料层和非晶态合金薄膜层的横截面形状均为矩形，其中，磁致伸缩材料层沿矩形的长度方向磁化，压电材料层沿层状结构体的厚度方向极化。
进一步地，非晶态合金薄膜层的厚度既小于磁致伸缩材料层的厚度又小于压电材料层的厚度。
本发明的有益技术效果是：提高了传感器的直流灵敏度，而且尺寸较小，有利于制备小型化高灵敏的磁传感器件，相比传统的磁致伸缩材料/压电材料复合的磁传感器，本发明的传感器既可以探测交流磁场也可以探测直流磁场，具有更强的探测功能。
附图说明
图1、本发明的优选结构一的结构示意图；
图2、本发明的优选结构二的结构示意图；
图3、本发明的优选结构三的结构示意图。
具体实施方式
一种复合结构的直流磁传感器，包括由磁致伸缩材料层1和压电材料层2组成的层状结构体，其改进在于：在磁致伸缩材料层1上设置有非晶态合金薄膜层3，非晶态合金薄膜层3和压电材料层2分别位于磁致伸缩材料层1大平面的两侧。
进一步地，所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层1和一层压电材料层2组成，两层磁致伸缩材料层1分别设置于压电材料层2大平面的上、下两侧；两层磁致伸缩材料层1外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层3。
进一步地，所述层状结构体由一层磁致伸缩材料层1和一层压电材料层2组成，磁致伸缩材料层1和压电材料层2重叠设置；磁致伸缩材料层1外表面的大平面上设置有一层非晶态合金薄膜层3。
进一步地，所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层1和两层压电材料层2组成，两层压电材料层2重叠设置，两层压电材料层2外表面的大平面上各设置有一层磁致伸缩材料层1；两层磁致伸缩材料层1外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层3。
进一步地，磁致伸缩材料层1、压电材料层2和非晶态合金薄膜层3的横截面形状均为矩形，其中，磁致伸缩材料层1沿矩形的长度方向磁化，压电材料层2沿层状结构体的厚度方向极化。
进一步地，非晶态合金薄膜层3的厚度既小于磁致伸缩材料层1的厚度又小于压电材料层2的厚度。
Claims (4)
1.一种复合结构的直流磁传感器，包括由磁致伸缩材料层（1）和压电材料层（2）组成的层状结构体，其特征在于：在磁致伸缩材料层（1）上设置有非晶态合金薄膜层（3），非晶态合金薄膜层（3）和压电材料层（2）分别位于磁致伸缩材料层（1）大平面的两侧；
磁致伸缩材料层（1）、压电材料层（2）和非晶态合金薄膜层（3）的横截面形状均为矩形，其中，磁致伸缩材料层（1）沿矩形的长度方向磁化，压电材料层（2）沿层状结构体的厚度方向极化；
非晶态合金薄膜层（3）的厚度既小于磁致伸缩材料层（1）的厚度又小于压电材料层（2）的厚度。
2.根据权利要求1所述的复合结构的直流磁传感器，其特征在于：所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层（1）和一层压电材料层（2）组成，两层磁致伸缩材料层（1）分别设置于压电材料层（2）大平面的上、下两侧；两层磁致伸缩材料层（1）外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层（3）。
3.根据权利要求1所述的复合结构的直流磁传感器，其特征在于：所述层状结构体由一层磁致伸缩材料层（1）和一层压电材料层（2）组成，磁致伸缩材料层（1）和压电材料层（2）重叠设置；磁致伸缩材料层（1）外表面的大平面上设置有一层非晶态合金薄膜层（3）。
4.根据权利要求1所述的复合结构的直流磁传感器，其特征在于：所述层状结构体由两层磁致伸缩材料层（1）和两层压电材料层（2）组成，两层压电材料层（2）重叠设置，两层压电材料层（2）外表面的大平面上各设置有一层磁致伸缩材料层（1）；两层磁致伸缩材料层（1）外表面的大平面上各设置有一层非晶态合金薄膜层（3）。
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